特開 2019-71291 イオン化装置およびそれを有する質量分析計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-71291(P2019-71291A)

(43)【公開日】2019年5月9日

(54)【発明の名称】イオン化装置およびそれを有する質量分析計

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/10 20060101AFI20190412BHJP

   G01N 27/62 20060101ALI20190412BHJP

【ＦＩ】

   H01J49/10

   G01N27/62 F

【審査請求】有

【請求項の数】21

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-10494(P2019-10494)

(22)【出願日】2019年1月24日

(62)【分割の表示】特願2017-532665(P2017-532665)の分割

【原出願日】2015年12月3日

(31)【優先権主張番号】102014226039.6

(32)【優先日】2014年12月16日

(33)【優先権主張国】DE

(71)【出願人】

【識別番号】503263355

【氏名又は名称】カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(72)【発明者】

【氏名】アリマン ミヒェル

(72)【発明者】

【氏名】チュン ヒン イウ アントニー

(72)【発明者】

【氏名】フェドセンコ ゲンナジー

(72)【発明者】

【氏名】ロイター リュディガー

(72)【発明者】

【氏名】ラウエ アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ケウーデル アヒム フォン

(72)【発明者】

【氏名】ボケ マルク

(72)【発明者】

【氏名】ベンター トシュテン

(72)【発明者】

【氏名】ヴィンター イェルク

(72)【発明者】

【氏名】アヴァコヴィッチ ペーター

(72)【発明者】

【氏名】ゴークホーヴァー レオニート

【テーマコード（参考）】

2G041

5C038

【Ｆターム（参考）】

2G041CA01

2G041DA10

2G041DA14

2G041EA05

2G041GA01

5C038GG08

5C038GG09

5C038GG13

5C038GH04

5C038GH11

5C038GH15

(57)【要約】

【課題】ガスの効率的なイオン化を可能にするイオン化装置およびイオン化装置を有する質量分析計を提供する。
【解決手段】１次プラズマ領域（９）内でイオン化ガス（６）の準安定粒子（６ａ）および／またはイオン（６ｂ）を生成するためのプラズマ生成装置（４）と、２次プラズマ領域（１０）内でグロー放電（１２）を生成するためのフィールド生成装置（１３）と、イオン化しようとするガス（３）を２次プラズマ領域（１０）内に供給するための入口（２）と、イオン化ガス（６）の準安定粒子（６ａ）および／またはイオン（６ｂ）を２次プラズマ領域（１０）内に供給するためのさらなる入口（５）とを備えるイオン化装置（１）に関する。また、本発明は、そのようなイオン化装置（１）と、イオン化されたガス（３ａ、３ａ’）の質量分析のためにイオン化装置（１）の出口（１６）の下流に配置された検出器（１７）とを備える質量分析計（２０）。
【選択図】図１ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次プラズマ領域（９）内でイオン化ガス（６）の準安定粒子（６ａ）および／またはイオン（６ｂ）を生成するためのプラズマ生成装置（４）と、
２次プラズマ領域（１０）内でグロー放電（１２）を生成するためのフィールド生成装置（１３）と、
イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するための入口（２）と、
前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するためのさらなる入口（５）と
を備えるイオン化装置（１）であって、
前記ガス（３）、前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン化ガス（６）の前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）から送り出すためのさらなる出口（１４）を有する送出し装置（１９）をさらに備え、
前記さらなる入口（５）および前記さらなる出口（１４）は、さらなる見通し線（２３）に沿って配置される、イオン化装置。

【請求項2】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で前記グロー放電（１２）を生成するために前記入口（２）と前記さらなる入口（５）との間に電界（Ｅ）を生成するように構成される、請求項１に記載のイオン化装置。

【請求項3】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記電界（Ｅ）を生成するために、電圧源（１５）と、２つの電極（２；５，１４）とを有する、請求項２に記載のイオン化装置。

【請求項4】

前記電界（Ｅ）を生成するために、前記入口（２）が第１の電極を形成し、前記さらなる入口が第２の電極を形成する、請求項３に記載のイオン化装置。

【請求項5】

前記電圧源（１５）が、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（５、１４）の間で５０Ｖと５０００Ｖの間の電圧（Ｖ）を生成するように構成される、請求項３または４に記載のイオン化装置。

【請求項6】

前記イオン化装置（１）からイオン化されたガス（３ａ、３ａ’）を排出するための出口（１６）をさらに備える、請求項１から５までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項7】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記さらなる入口（５）と前記出口（１６）の間にさらなる電界（Ｅ’）を生成するように構成される、請求項６に記載のイオン化装置。

【請求項8】

前記出口（１６）が、前記さらなる電界（Ｅ’）を生成するためのさらなる電極を形成する、請求項７に記載のイオン化装置。

【請求項9】

前記イオン化装置（１）の前記入口（２）、前記２次プラズマ領域（１０）、および前記出口（１６）が、見通し線（２２）に沿って配置される、請求項６から８までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項10】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で前記さらなる見通し線（２３）に沿って位置合わせされる磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、請求項１に記載のイオン化装置。

【請求項11】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で少なくとも１つの磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項12】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記見通し線（２２）に沿って位置合わせされる磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、請求項１１に記載のイオン化装置。

【請求項13】

前記イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給する前に前記イオン化しようとするガス（３）を処理するために、前記イオン化装置（１）の１次入口（２４）と前記入口（２）との間に配置されるチャンバ（２５）をさらに備える、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項14】

前記１次プラズマ領域（９）内の圧力（ｐ）が前記２次プラズマ領域（１０）内の圧力（ｐ₁）より大きい、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項15】

前記１次プラズマ領域（９）内の前記圧力（ｐ₁）が、１００ｍｂａｒと１０００ｍｂａｒの間にある、請求項１４に記載のイオン化装置。

【請求項16】

前記２次プラズマ領域（１０）内の前記圧力（ｐ）が、０．５ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間にある、請求項１４または１５に記載のイオン化装置。

【請求項17】

前記プラズマ生成装置（４）の前記イオン化ガス（６）が貴ガスである、請求項１から１６までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項18】

前記プラズマ生成装置（４）が、コロナ放電プラズマ生成装置および誘電体バリア放電プラズマ生成装置を含むグループから選択される、請求項１から１７までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項19】

請求項１から１８までのいずれか１項に記載のイオン化装置（１）と、イオン化されたガス（３ａ、３ａ’）の質量分析のために前記イオン化装置（１）の出口（１６）の下流に配置された検出器（１７）と
を備える質量分析計（２０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、２０１４年１２月１６日付けのドイツ特許出願ＤＥ １０ ２０１４ ２２６ ０３９．６の優先権を主張し、その開示全体を参照により本願の内容とする。
本発明は、イオン化装置、およびそのようなイオン化装置を有する質量分析計に関する。

【背景技術】

【0002】

質量分析では、高温フィラメントまたはグローワイヤを用いるイオン化（電子イオン化）のための標準的なプロセスを補完することが可能な、または応用例に応じてそれらに取って代わることが可能な、イオン化しようとするガス（下記でアナライトと称されることもある）をイオン化するための新規な手法が必要とされている。標準的なイオン化の欠点は、最大２０００℃の高温であるフィラメントの高い周囲温度と、典型的には約７０ｅＶのイオン化エネルギーであり、このイオン化エネルギーは、大抵の応用例にとって、特に有機化学（たとえば、生命科学）において高すぎるものであり、フラグメントの生成、ならびに典型的には約１０^-4ｍｂａｒを超える高い作業圧力の場合、フィラメントの「溶落ち」に通じる可能性があるフィラメントの非常に高い脆弱性に通じる。
ＤＥ １０ ２００７ ０４３ ３３３ Ａ１は、低温大気プラズマ源内で生成される１次プラズマビームが、小さい直径を有する条件付けまたは検査対象のキャビティ内で生成されることになる２次プラズマビームのための点火源として使用される、構成要素を処理および検査するための方法を開示している。そのために、貴ガスが、構成要素のキャビティを通って１次プラズマ源の方向に案内される。ここで、１次プラズマ源によって点火される２次プラズマは、処理または検査対象の構成要素のキャビティ内で貴ガスのガス流方向に逆らって伝播する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明の目的は、ガスの効率的なイオン化を可能にするイオン化装置およびイオン化装置を有する質量分析計を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この目的は、１次プラズマ領域内でイオン化ガスの（電荷中性）準安定粒子および／またはイオンを生成するためのプラズマ生成装置と、２次プラズマ領域内でグロー放電を生成するためのフィールド生成装置と、イオン化しようとするガスを２次プラズマ領域内に供給するための入口と、イオン化ガスの準安定粒子および／またはイオンを２次プラズマ領域内に供給するためのさらなる入口とを備えるイオン化装置によって達成される。グロー放電の空間範囲について述べるとき、グロー放電は、下記でしばしばグロー放電ゾーンとも称される。本願の趣旨内で、２次プラズマ領域は、（２次）プラズマが形成されるグロー放電ゾーンそれ自体だけでなく、イオン化装置のハウジング内に形成され、たとえばグロー放電を生成するために電界を印加することができるグロー放電ゾーン周りの空間をも示す（下記参照）。
典型的には、マイクロプラズマ、特に典型的には約２００℃未満の温度でのいわゆる「低温」マイクロプラズマが、プラズマ生成装置の１次プラズマ領域内で生成される。すなわち、プラズマを生成するためのフィラメントがなしですまされる。プラズマ生成装置は、特に、イオン化ガスの主に電荷中性準安定粒子または分子を、たとえば準安定貴ガス分子の形態、特に準安定ヘリウム分子の形態で生成するように構成され得る。第１に、これは、典型的には約２０ｅＶの領域内にあるエネルギーで、イオン化しようとするガス（アナライト）の穏やかなイオン化を可能にし、第２に、そのようなプラズマ生成装置はまた、高いアナライト圧力で非常にしっかりと確実に動作する。
イオン化ガスの準安定粒子／分子および／またはイオンは、２次プラズマ領域に、そのさらなる入口またはアパーチャを介して供給される。イオン化ガスの準安定粒子／分子および／またはイオンは、グロー放電ゾーン内でさらなる入口を介して供給することができるが、グロー放電ゾーンの外側の位置で、たとえば電界が典型的にはグロー放電を点火するための点火経路として印加される領域内で、イオン化ガスの準安定粒子／分子および／またはイオンを２次プラズマ領域に供給することも可能である（下記参照）。同様に、イオン化しようとするガスも、（第１の）入口の適切なアパーチャを介して２次プラズマ領域に供給される。イオン化しようとするガスの分子の一部は、イオン化ガスの準安定粒子／分子によってまたはイオンによって、電荷交換イオン化を介して、または衝突プロセスを介してイオン化される。

【0005】

２次プラズマ領域内でフィールド生成装置によって生成されるグロー放電を介して、イオン化しようとするガスの追加の分子が特に効率的にイオン化される。グロー放電を生成するために、適切な（ガス）圧力が２次プラズマ領域内で設定される（下記参照）。２次プラズマ領域内でグロー放電を生成するために有利なものは、イオン化しようとするガスの、イオン化ガスのイオンとのまたは準安定粒子との衝突電離中に自由電子が作り出されることであり、この自由電子は、カスケード増倍またはアバランシェ効果により、アナライトガス内でより多くの自由電子を、グロー放電ゾーンの方向にそれらの経路上で連続して生成し、グロー放電ゾーン内で特に高いイオン化効率を可能にする。換言すれば、このプロセスにより、非常に高い電子密度がグロー放電ゾーン内にあることになる。

【0006】

一実施形態では、フィールド生成装置は、２次プラズマ領域内でグロー放電を生成するために入口とさらなる入口との間に電界を生成するように構成される。電界は、入口からさらなる入口の領域に進む電子を加速するための加速経路または点火経路を形成する。２次プラズマ領域内でグロー放電ゾーンの方向に加速された電子は、高い運動エネルギーを有し、したがってイオン化しようとするガスの追加の分子を特に効率的にイオン化することができる。さらなる入口、より具体的にはさらなる入口のアパーチャを通って延びるさらなる入口の中心軸は、入口、より具体的には入口の中心軸に対して、したがってイオン化しようとするガスの伝播方向に、ある角度で、たとえば９０°の角度で位置合わせされることが好ましい。入口の中心軸とさらなる入口の中心軸は、２次プラズマ領域内で、概してグロー放電ゾーン内またはグロー放電ゾーンの近傍で交差する。

【0007】

一発展形態では、フィールド生成装置は、電界を生成するために、電圧源と、２つの電極とを有する。プラズマを生成するための点火経路または加速経路を形成する電界は、カソードとして働く第１の電極と、アノードとして働く第２の電極との間に電圧を印加することによって生成される。グロー放電ゾーンに向かって電子を加速するために、アノードとして働く電極は、典型的には、カソードとして働く電極よりグロー放電ゾーンに近くなるように配置される。電極間に印加される電圧は、典型的には、プラズマを点火するのに十分な点火電圧に対応する、すなわち、イオン化しようとするガスの分子のイオン化によってさらなる電子が生成され、それらのさらなる電子も同様に加速され、イオン化しようとするガスのさらなる分子をイオン化することが可能なカスケード増倍またはアバランシェ効果を可能にするほど大きくなるように選択される。

【0008】

プラズマを点火するために必要とされる電圧は、電極間の所与の距離、および電極間の領域内の所与のガス圧力について、パッシェンの法則またはタウンゼントの式から決定することができる。ガス圧力と電極間の距離の積は、典型的には、イオン化しようとするそれぞれのガスについていわゆるパッシェンミニマムに達するように、すなわち、最小可能な点火電圧を選択することができるように選択される。
さらなる発展形態では、電界を生成するために、入口は第１の電極（カソード）を形成し、さらなる入口は、第２の電極（アノード）を形成する。このようにして、入口とさらなる入口との間の経路全体を、プラズマを点火するための加速経路としてまたは点火経路として使用することができる。任意選択で、電界を生成するために、入口およびさらなる入口から空間的に分離して配置される電極を使用することも可能であることを理解されたい。さらなる入口を第２の電極として使用する代わりに、またはそれに加えて、さらなる出口を、ガス、イオン化ガスの準安定粒子、および／またはイオン化ガスのイオンを２次プラズマ領域から送り出すために使用することも可能である。具体的には、間に２次プラズマ領域が形成されるさらなる入口とさらなる出口は、共に、電界を生成するために第２の電極として働くことができる。

【0009】

さらなる発展形態では、電圧源は、第１の電極と第２の電極の間で５０Ｖと５０００Ｖの間の電圧を生成するように構成される。さらに上述のように、グロー放電またはプラズマを生成するために必要とされる点火電圧は、典型的には、電極間の固定された所定の距離、点火経路に沿ったガス圧力、およびイオン化しようとするガスに、特にそれぞれのガス原子またはガス分子のイオン化エネルギー、および平均自由行程長に依存する。後者は、とりわけ、ガス原子のサイズおよびその密度、ならびに温度に依存する。前述の領域内の電圧は、グロー放電を生成するのに概して十分なものである。
さらなる実施形態では、イオン化装置は、イオン化装置からイオン化されたガスを排出するための出口を備える。出口は、典型的には、入口から離れたグロー放電ゾーンの２次プラズマ領域の側に配置される。イオン化装置によって生成されるイオンまたはイオンビームは、たとえば質量分析計内で、イオン化されたガスを分析するように働くことができる。

【0010】

しかし、イオン化装置によって生成されるイオンまたはイオンビームを、他の応用例に、たとえば電子ビームまたはイオンビームが検査対象の物体（試料）を走査する電子ビームまたはイオンビーム顕微鏡検査で（たとえば、ヘリウムイオン顕微鏡で）使用することも可能である。最初の場合には、たとえば検査対象の物体にて後方散乱されたイオン化装置の電子が、イオン化しようとするガス、たとえば貴ガス、特にヘリウム、または水蒸気と共に入口を介して供給されることが可能である。検出器（たとえば、光電増幅器または電荷増幅器）を、イオン化装置の出力に、たとえば接地電位または接地電位に近い低電位で下流に配置することができる。したがって、たとえばイオン化装置内でのイオン化しようとするガスの陽イオンの飛行よりはるかに長くなるように選択することができる電子の飛行の適切な設計の場合、驚くべきことに、後続の「低速の」イオン検出にもかかわらず、高い平均移動度を達成することが可能である。換言すれば、高い検出効率を、それに対応する試料からの後方散乱電子の高い信号帯域幅と共に、接地電位で動作する従来の検出器エレクトロニクスを使用して達成することができる。この場合、イオン化装置内の加速経路または点火経路は、電子によって生成される電子流を増幅するように、または電子流によって生成されるイオンをますます生成するように働く。電子流の利得は、点火経路の長さによって設定され得る。

【0011】

２次プラズマ領域内の比較的高い圧力の結果として、出口を通過するイオンは、ほとんど運動エネルギーをもたず（低温プラズマ）、これは、出口の下流に配置されたイオン移送装置にとって有利であり、効率的なイオン移送を可能にする。出口は、イオン化されたガスおよび／またはイオン移送経路の圧力を低減するための単一（任意選択で複数）の圧力段を形成することができ、検出器または質量分析器がその下流に配置される。

【0012】

さらなる実施形態では、フィールド生成装置は、さらなる入口と出口の間にさらなる電界を生成するように構成される。さらなる電界は、典型的には、電子のための点火経路を形成する電界に対して反対になるように導かれる。追加の電界により、２次プラズマ領域内で生成される正に帯電されたイオンが２次プラズマ領域から出口に、またはそこに形成されたアパーチャに加速され、イオン化装置を離れる。イオン化しようとするガスの大抵のイオンは、自由電子の密度がそこで最大であるため、点火経路の端部で、またはグロー放電ゾーン内で生成されるので、したがってイオンの大部分を出口を介してイオン化装置から排出することができる。

【0013】

（第１の）電界を生成するために使用される第２の電極（カソード）もまた、さらなる電界を生成するために使用することができる。この電界は、この電極に、また出口の近傍に配置されるさらなる電極に電圧を印加することによって生成することができる。電圧突抜けのために使用される電圧は、サイズの点でほぼ同程度の大きさの点火電圧を有することができるが、さらに上述のように、突抜け電圧は、点火電圧に対して反対の符号を有する。
一発展形態では、出口は、さらなる電界を生成するためのさらなる電極を形成する。この場合、イオン化されたガスのイオンは、特に単純な形で出口に向かって加速され得る。好ましくは、さらなる電極を形成する出口は、接地される、すなわちグランド電位（０Ｖ）で配置される。この場合、検出器は、たとえばイオン化装置を電子顕微鏡またはイオン顕微鏡内で使用するとき、グランド電位にあることができ、これは、単純かつ強力な増幅器設計を（たとえば、荷電増幅器またはフォトダイオード増幅器の形態で）実現するのに有利であると判明している。また、イオン化装置を質量分析計内で使用するとき、出口をグランド電位にすることが有利となり得る。

【0014】

さらなる有利な実施形態では、イオン化装置の入口、２次プラズマ領域、および出口は、共通の見通し線に沿って配置される。これは、イオン化装置のコンパクトな配置を実現するのに有利である。しかし、分子ビームが使用される場合と異なり、見通し線に沿った配置は、本イオン化装置にとって必須ではない。一定のイオン収量を実現するためには、実質的に一定の静圧（中間圧力）が、２次プラズマ領域内、理想的には入口と出口の間の見通し線に沿った空間全体内で優勢である場合、有利であることが判明している。
一発展形態では、イオン化装置はさらに、イオン化しようとするガスもしくはすでに一部イオン化されたガス、イオン化ガスの準安定粒子および／またはイオン化ガスのイオンを２次プラズマ領域から送り出すためのさらなる出口を有する送出し装置を備える。さらなる出口は、過剰なガスを２次プラズマ領域から送り出すように働く。このようにして、２次プラズマ領域内で実質的に一定の圧力を生成することが可能であり、この圧力は、実質的にアナライトガス分子によって引き起こされる。実質的に一定のイオン収量の生成は、実質的に一定の圧力によって確保され得る。さらに上述のように、さらなる出口を有する送出し装置もまた、さらなる入口の代わりに、またはそれに加えて、入口とグロー放電ゾーンの間で電界を生成するための第２の電極として働く。

【0015】

一発展形態では、さらなる入口およびさらなる出口は、さらなる見通し線に沿って配置される。具体的には、さらなる見通し線は、入口と出口の間の見通し線に対して直角に配置することができる。２次プラズマ領域、典型的にはグロー放電ゾーンは、さらなる入口とさらなる出口の間に形成される。この場合、さらなる入口およびさらなる出口は、電子を加速するための、または入口とグロー放電ゾーンの間でプラズマを生成するための電界を形成するために同じ電位にされる（第２の）電極として働くことができる。

【0016】

さらなる実施形態では、フィールド生成装置は、２次プラズマ領域内で少なくとも１つの磁界を生成するように構成される。２次プラズマ領域内で印加される磁界、特に時間依存性の磁界は、たとえば「電子サイクロトロン共鳴」（ＥＣＲ）効果によって、または「誘導結合プラズマ」（ＩＣＰ効果）によってイオン化を増幅することができる。たとえば、プラズマに対して適切に作用する、または後者を増幅する時間依存性の電界は、時間依存性の磁界を使用することによって生成することができる。イオン化磁界は、１つもしくは複数の永久磁石を介して、または１つもしくは複数のコイルを介して結合させることができ、これは、たとえばコイルと同じ位置で印加することができる。磁界（電磁界）は、２次プラズマ領域内で、そこで増幅された、または目標を定めた形でイオン化に影響を及ぼすことができるように優勢でなければならない。

【0017】

また、プラズマまたはグロー放電ゾーンは、少なくとも１つの磁界を用いてイオン化装置内で、たとえば、これらがイオン化しようとするガスのための入口に、または他の開口（アパーチャ）に、たとえば出口の方向に目標を定めて変位されるおかげで、または、イオン化装置内の特定の領域内で、そこでイオン化しようとするガスの分子を可能な最も高い効率でイオン化するために、または出口への、および任意選択で出口に隣接する測定セルへのイオン搬送を可能な最も効率的な形で設計するために、これらが集中されるおかげで、目標を定めて変位することができる。この手順を異なるアナライトのために目標を定めて使用し、イオン化効率を高めることもできる。すなわち、イオン化しようとするガスのタイプに応じて、その少なくとも１つの磁界に影響を及ぼす、またはその磁界を修正することができる。時間依存性のイオン化磁界もまた、アナライトの測定手順中に、測定セル内で、または検出器内で目標を定めて修正または移動させることができ、これは、イオン化を増大する、またはイオンの測定セル内へのより効率的な搬送をもたらすことがある。

【0018】

さらに上述のように、特に交番磁界の形態での少なくとも１つの磁界は、イオン化効率を高めるために、または後者に目標を定めて影響を及ぼすために、所望の形態で生成することができる。一発展形態では、フィールド生成装置は、見通し線に沿って、またはさらなる見通し線に沿って位置合わせされる磁界、すなわち見通し線に沿って、またはさらなる見通し線に沿って延び、そこで対称軸を有する磁界を生成するように構成される。
さらなる実施形態では、イオン化装置は、イオン化しようとするガスを２次プラズマ領域内に供給する前にイオン化しようとするガスを処理するために、イオン化装置の１次入口と入口との間に配置されるチャンバをさらに備える。イオン化しようとするガスは、そのガスが入口から２次プラズマ領域内に排出される前にチャンバ内で処理することができる。イオン化しようとするガスは、様々な方法で処理することができる。

【0019】

たとえば、チャンバ内ではイオン化しようとするガスが圧力低下され得る。すなわち、チャンバは、イオン化装置の外側の（真空）環境内で１次環境圧力を低減するために、たとえば差動的にポンピングされるチャンバとして、またはバルブを介してポンピングされる（律動的に送られる）チャンバとして働き、この環境圧力は、たとえば約１バールと２００バールの間程度のものとすることができる。１次環境圧力に応じて、チャンバ内の圧力低下は、より小さいアナライト圧力でイオン化を実施することができるように、単純な圧力段を介して、または直列で配置された複数の圧力段を介してもたらすことができる。第１に、これはイオン化中およびイオン化後、アナライトの大きな化学反応性を低減し、第２に、不変のイオン化条件を確保する。

【0020】

また、１次入口の上流に配置された（真空）環境から入るイオン化しようとするガスの温度が、チャンバに隣接する入口内で固定された所定の最大動作温度を超えないことを確実にするために、チャンバ内に熱デカップリングがあることができる。熱デカップリングは、断熱（金属／セラミック移行）、受動冷却（たとえば、冷却体による対流）、能動冷却（たとえば、空冷または水冷）などによってもたらすことができる。
それに加えて、または代替として、イオン化しようとするガスを２次プラズマ領域に供給するのに適した組成に変換するために、チャンバ内で外来ガス抑制、粒子フィルタリング、および／または粒子処理を実施することも可能である。粒子処理または粒子フィルタリングは、たとえば機械的または磁気的に実施することができる。
さらなる実施形態では、１次プラズマ領域内の圧力が２次プラズマ領域内の圧力より大きい。これは、１次プラズマ領域からのイオン化ガスの準安定粒子および／またはイオンをさらなる入口を通じて２次プラズマ領域に移送することができ、この目的のためにポンプなどを提供することは必要でないので有利である。
有利な発展形態では、１次プラズマ領域内の圧力は、１００ｍｂａｒと１０００ｍｂａｒの間にある。そのような圧力が優勢であるプラズマ生成装置は、一般にフィラメント（加熱カソード）を有していない。なぜなら、たとえばタングステンまたはイリジウム製であるフィラメントが、一般に、約１０^-4ｍｂａｒ未満の圧力より下方でしか使用可能でなく、耐用年数が短いからである。さらに、加熱カソードまたはフィラメントを使用するとき、たとえば約２０００℃を超える非常に高い温度が一般に生成される。

【0021】

上記で指定されている圧力範囲内で動作するプラズマ生成装置を使用すると、イオン化ガスの１次プラズマ（マイクロプラズマ）を、加熱カソードによるものとは異なるようにして−たとえば、下記でさらに述べるようにして生成することが可能である。そのようなプラズマ生成装置は、異なる圧力でさえ、非常に確実に動作する。いわゆる「低温プラズマ」が１０℃〜２００℃の比較的低い温度で生成される場合、主に１次プラズマ領域内で電荷中性準安定分子を生成することが可能であり、これらの準安定分子は、１次プラズマ領域から２次プラズマ領域に放出される。イオン化ガスは、低いガス静圧を２次プラズマ領域内で設定することができるようにプラズマ生成装置によって直ちに再び送り出される。

【0022】

さらなる発展形態では、２次プラズマ領域内の圧力は、０．５ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間にある。そのような（静）圧力レベルは、２次プラズマを生成するために有利であると判明している。さらに上述のように、２次プラズマ領域内の圧力は、実質的にアナライトによって生成される。送出し装置は、過剰なガス、特に過剰なアナライトガスを２次プラズマ領域から送り出し、したがって実質的に一定の圧力を２次プラズマ領域内で生成するように働く。

【0023】

（実質的に）一定の圧力を２次プラズマ領域内で生成するために、開ループおよび／または閉ループ制御装置をイオン化装置内に配置することができる。開ループおよび／または閉ループ制御装置は、入口に配置された、たとえばマイクロ秒ピエゾ駆動のマイクロバルブの形態での（マイクロ）バルブを、たとえば作動させることができる。たとえば、圧力調節は、（マイクロ）バルブの複数の開動作によって、たとえばガスパルス幅変調によって、２次プラズマ領域の差動的送出しと組み合わせて達成することができる。一般に、２次プラズマ領域内の圧力を設定点値に調節するために、１次プラズマ領域内、２次プラズマ領域内、および／または送出し装置の領域内の圧力を測定するための少なくとも１つの圧力センサが開ループおよび／または閉ループ制御装置に割り当てられる。

【0024】

さらなる実施形態では、プラズマ生成装置のイオン化ガスは、（好ましくは純粋な）貴ガス、特に小さい分子サイズを有するヘリウムである。Ａｒ、Ｋｒ、または酸素（Ｏ₂）など他のイオン化ガス、たとえば貴ガスの使用もまた可能である。たとえば、プロセス条件を適切に選択した場合、アナライトの穏やかなイオン化を可能にする実質的に準安定のヘリウム分子を１次プラズマ領域内で形成することができる。プラズマ生成装置は、律動的に送られるプラズマ動作を可能にするために、チョッパを備えてもよい。しかし、本明細書に記載の応用例では、一般に、イオン化ガスの準安定粒子および／またはイオンの実質的に一定の体積流量が２次プラズマ領域に供給される場合、有利である。貴ガスをイオン化ガスとして使用するとき、特にヘリウムをイオン化ガスとして使用するとき、生成されるイオンの部分に対する生成される準安定粒子（たとえば、準安定ヘリウム分子）の部分が特に高くなる。たとえば、ヘリウムを使用するとき、生成される準安定粒子の数は、生成されるイオンの数より１０⁴または１０⁵倍大きくなる可能性があり、その結果、プラズマ生成装置は、事実上、１次プラズマ領域内で準安定粒子のみ生成する（すなわち、事実上、イオンなし）。
さらなる実施形態では、プラズマ生成装置は、コロナ放電プラズマ生成装置および誘電体バリア放電プラズマ生成装置を含むグループから選択される。具体的には、プラズマ生成装置は、大気圧プラズマ源として構成することができ、すなわち、約１００ｍｂａｒと１ｂａｒの間の、さらに上記で指定されている圧力範囲内の圧力が装置内で優勢となり得る。たとえば、大気圧プラズマを生成する目的のためにコロナ放電を生成するために、無線周波数放電を２つの電極間で点火させることができる。電極の一方は、プラズマ生成装置の内部に配置することができ、一方、第２の電極は、イオン化ガスの準安定粒子および／またはイオンを２次プラズマ領域内に供給するためにハウジングまたはさらなる入口を形成する。さらなる入口は、典型的には、準安定粒子および／またはイオンを２次プラズマ領域内に供給するために開口（アパーチャ）を有する。

【0025】

さらに上述のように、たとえばヘリウムをイオン化ガスとして使用することができるが、異なる圧力で、他のガスでの動作もまた可能である。プラズマ生成装置から流出する、たとえばヘリウムの形態でのイオン化ガスの量は、プラズマ生成装置内、およびプラズマ生成装置の外側、たとえば２次プラズマ領域内の圧力条件によって、またさらなる入口の開口（アパーチャ）の直径によって指定される。開口（アパーチャ）の直径は、たとえば、１μｍと１００μｍの間の範囲内にあることができるが、他の直径も可能である。
上述のプラズマ生成装置は、無線周波数誘電体バリア放電を生成するように修正され得る。このタイプの励起では、複数の火花放電の形態でプラズマを生成し、したがって電極間に位置するガス流をイオン化するために、誘電体バリアとして働く（薄い）誘電体が、電極間に位置する。

【0026】

非導電性構成要素、特に誘電構成要素を使用し、プラズマを特定の体積に制限することもできる。たとえば、対応するアパーチャを有するさらなる非導電性ストップ、特に誘電体ストップを、第１の電極と、第２の電極の開口（アパーチャ）との間に配置することができる。しかし、これはプラズマ生成装置の基本機能にとって必須ではない。非導電性材料、特に誘電材料によるプラズマ生成装置内のプラズマのさらなる境界も同様に有利となり得る。
イオン化ガスまたはイオン化ガス混合物をイオン化するために、無線周波数プラズマの代わりに、プラズマ生成装置内で中間周波数プラズマまたはＤＣプラズマを生成することも可能であり、同様に「低温プラズマ」を上記で指定されている圧力範囲内で生成することができる。

【0027】

また、プラズマ生成装置が、イオン化ガスをイオン化するためにＵＶ放射を生成するためのＵＶ放射源を有することも可能である。この場合、光強度損失を回避することができ、ＵＶ放射による非常に効率的なイオン化を達成することができるように、イオン化ガスをもイオン化されるプラズマ生成装置のチャンバ内でＵＶ放射を直接生成してもよい。具体的には、ＵＶ放射源、たとえばＵＶランプによって生成されるＵＶ放射をチャンバ内に、窓を通じて案内する必要はなく、放射強度における損失に関連付けられることになる偏向装置によらなくてもよい。さらに、従来のＵＶランプは、一般に、短い耐用年数しかなく、比較的大きい。

【0028】

非常に穏やかなイオン化をＵＶ放射によってもたらすことができる。なぜなら、その比較的大きな有効断面積により、たとえば約１８〜２４ｅＶの比較的低いイオン化エネルギーを有するイオンまたは準安定粒子は、たとえば７０ｅＶでのたとえば電子衝突電離の場合（下記参照）より著しく良好なイオン化効率を有するからである。
イオンを生成するためのさらなる選択肢は、たとえば「低温」電子銃の形態での１つまたは複数の電界エミッタまたは電界エミッタアレイを、電子衝突電離を実施するためのイオン化装置として使用することからなる。フィラメントとは対照的に、電界エミッタは、ほとんど無制限の耐用年数を有し、したがってフィラメントより著しく長く使用することができる。これは、特に酸化雰囲気内（たとえば、酸素雰囲気内）での使用の場合、または、たとえば約１０^-4ｍｂａｒ超に圧力が予期せず増大する場合に有利である。さらに、カソードまたはフィラメントを加熱することとは対照的に、電界エミッタは低い温度を有し、その結果、フィラメントの場合に生じる温度問題を電界エミッタの使用によって完全に解決することができる。電界エミッタは、集束された、または有向電子ビームを生成するように構成され得る。加速された電子の運動エネルギーを設定する、または変えることを可能としてもよい。

【0029】

プラズマによって生成される準安定粒子またはイオン、おそらくはプラズマ、その反応生成物、および放射、たとえばＵＶ放射によって生成されるさらなる粒子、ならびにプラズマそれ自体は、開口（アパーチャ）を通ってプラズマ生成装置またはさらなる入口を離れ、２次プラズマ領域内でアナライトをイオン化することができる。したがって、典型的なイオン化機構は、衝突誘導イオン化、イオンと天然粒子の間の電荷交換、準安定粒子によるイオン化、化学イオン化、光イオン化、特にＵＶ放射によるイオン化などである。

【0030】

本発明のさらなる態様は、さらに上述のようなイオン化装置と、イオン化されたガスの質量分析のためにイオン化装置の出口の下流に配置された検出器とを備える質量分析計に関する。検出器は、出口にすぐ隣接することができるが、イオン移送装置および／または１つまたは複数の圧力段が出口と検出器の間に配置されることも可能である。さらに上述のように、本明細書に記載のイオン化装置は、質量分析計での使用に制限されず、たとえば電子ビーム顕微鏡検査において電子もしくは電子流を検出するためにイオンを生成するために、またはイオンビーム顕微鏡検査のためのイオンビームを生成するために、他の応用例にも適用することができることが有利である。
本発明のさらなる特徴および利点は、本発明に不可欠な詳細を示す図面内の図に基づいて、本発明の例示的な実施形態の以下の説明から、また特許請求の範囲から明らかになる。個々の特徴は、それら自体で、または本発明の一変形形態において共に任意の組合せでそれぞれ実現することができる。
例示的な実施形態が、概略図に示されており、後続の説明において述べられる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1a】１次プラズマ領域内でプラズマを生成するためのプラズマ生成装置を有し、２次プラズマ領域内でグロー放電またはプラズマを生成するための加速経路を有するイオン化装置の概略図である。

【図1b】イオン化しようとするガスを処理するための追加のチャンバを有し、２次プラズマ領域内で磁界を生成するためのフィールド生成装置を有する、図１ａと同様の図である。

【図2】コロナ放電プラズマ生成装置の形態での、図１ａ、図１ｂからのプラズマ生成装置の例示的な実施形態の図である。

【図3】ガス圧力および電極間隔の関数としての、プラズマの点火電圧のパッシェン曲線の図である。

【図4】イオン化装置内で生成されるイオン化しようとするガスのイオンのシミュレーションによる軌道の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

等価の、または機能的に等価の構成要素に対して、同一の符号が図面の以下の説明において使用される。
図１ａは、イオン化しようとするガス３を供給するための入口２を備えるイオン化装置１を概略的に示し、前記ガスは、環境圧力ｐ_uが優勢である、図１ａにはそれ以上詳細に示されていない環境に由来する。入口２と下記の（さらなる）入口および出口は内部を有するハウジングまたはハウジング部を意味するものと理解され、その内部では、ガス−この場合、イオン化しようとするガス３−が周囲から遮蔽されて供給される。イオン化装置１それ自体が、その内部を環境から分離するためにハウジング（ここでは図示せず）を有することを理解されたい。
また、イオン化装置１は、さらなる入口５内に収容されるプラズマ生成装置４を備える。プラズマ生成装置４は、図２と共に下記でより詳細に述べるように、たとえばヘリウムの形態で存在し得るイオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂを生成するように働く。

【0033】

図２は、さらなる入口５を示し、さらなる入口５は、図の例では実質的に（円形の）円筒形実施形態を有し、その平坦な端部側壁には、開口（アパーチャ）５ａが形成され、そこをイオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂが通過することができる。図の例では、プラズマ生成装置４は、コロナ放電プラズマ生成装置として構成され、さらなる入口５の内部で中央に配置された棒状電極７を有する。さらなる入口５は、プラズマ生成装置４のさらなる電極を形成し、プラズマ生成装置４は、ロッド電極７と電極として働くさらなる入口５との間で交番する無線周波数電界を生成するためにＲＦ電圧源８を有する。

【0034】

プラズマは、１次プラズマ領域９内で、直接さらなる入口５の開口（アパーチャ）５ａにて、プラズマ生成装置４により生成することができ、その結果、イオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂを直接、すなわちイオン輸送装置なしで、さらなる入口５の開口（アパーチャ）５ａを通じて２次プラズマ領域１０に供給することができる。プラズマ生成装置４は、必ずしもさらなる入口５内で一体化される必要はなく、たとえばイオン光学系などの形態での好適なイオン輸送装置が、準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂを輸送するために存在する限り、さらなる入口５から空間的に分離されて配置することもできることを理解されたい。

【0035】

イオン化ガス６は、特にヘリウムとすることができるが、他の貴ガス、たとえばＡｒもしくはＫｒ、または他のガス、たとえば酸素（Ｏ₂）もまた、イオン化ガス６として働くことができる。具体的には、ヘリウムをイオン化ガス６として使用することは、典型的には約２０ｅＶの領域にあるエネルギーで、イオン化しようとするガス（アナライト）の穏やかなイオン化を可能にする。ここでの有利な効果は、ヘリウムをイオン化ガス６として使用するとき、生成される準安定粒子６ａ（準安定ヘリウム分子）の部分が、生成されるヘリウムイオン６ｂの部分より著しく大きく（約１０⁴または１０⁵倍）なることである。

【0036】

図２と共に述べるプラズマ生成装置４では、１次プラズマ領域９内の（静）圧力ｐ₁は、典型的には約１００ｍｂａｒと１０００ｍｂａｒの間にあり、そのため、図のプラズマ生成装置４は、大気圧プラズマ生成装置とも呼ばれる。１次プラズマ領域９内の静圧ｐ₁は、さらなる入口５の外側に位置する２次プラズマ領域１０内の静圧ｐより大きい。２次プラズマ領域１０内の（静）圧力ｐのための典型的な値は、約０．５ｍｂａｒと約１０ｍｂａｒの間にある。単位時間当たり排出される準安定ヘリウム粒子またはヘリウム分子の数は、プラズマ生成装置４内、または１次プラズマ領域９内および２次プラズマ領域１０内の圧力条件によって、ならびにさらなる入口５のアパーチャ５ａの直径Ｄによって決定される。たとえば、アパーチャ直径Ｄは、約１μｍと１００μｍの間の値範囲内にあるものとすることができるが、アパーチャ直径Ｄは、より大きくてもより小さくてもよい。また、プラズマ生成装置４は、ポンプ装置（ここでは図示せず）を有することができ、ポンプ装置は、２次プラズマ領域１０、および２次プラズマ領域１０内に設定された１次プラズマ領域９内より低い（ガス）圧力ｐに達しないようにイオン化ガス６、たとえばヘリウムを直ちに再び送り出す。
図２に示されているプラズマ生成装置４の特殊性は、さらなるストップ１１がさらなる入口５の平坦な端部側に配置され、そこにアパーチャ５ａが形成されており、そのさらなるストップは、非導電性、たとえば誘電材料から製造され、プラズマまたは１次プラズマ領域９をさらなる入口５の内部に実質的に制限するように働くことである。非導電性、より具体的には誘電材料製のさらなる構成要素を、入口５の内部、またはプラズマ生成装置４内に配置することもでき、１次プラズマのための、または１次プラズマ領域９のための制限として使用することができることを理解されたい。

【0037】

図２に示されているプラズマ生成装置４の代わりに、イオン化装置１内の異なるタイプのプラズマ生成装置４、たとえばＵＶ放射によって、または異なる方法でプラズマを生成してもよいプラズマ生成装置４を使用することも可能である。プラズマ生成装置４が比較的大きな静圧で（マイクロ）プラズマを生成することができる場合、および前記装置が約２００℃以下にある温度で「低温プラズマ」を生成するように構成されている場合、有利であることが判明している。

【0038】

さらなる入口５を通じて２次プラズマ領域１０に供給される準安定粒子もしくは粒子６ａおよび／またはイオン６ｂは、入口２によって供給されたイオン化しようとするガス３をイオン化するように働き、このイオン化しようとするガスもまた、下記でアナライトと呼ばれる。イオン化しようとするガス３の分子の少なくとも一部（ガスとは、本願の趣旨内でガス混合物をも意味するものと理解される）が、イオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂによって２次プラズマ領域１０内でイオン化され、その結果、イオン化しようとするガス３のイオン３ａ’（下記でイオン化されたガス３ａ’とも呼ばれる）が２次プラズマ領域１０内で生成される。イオン化しようとするガス３の分子は、たとえば電荷交換イオン化、衝突誘導イオン化などによってイオン化ガス６の準安定粒子６ａまたはイオン６ｂによりイオン化することができる。

【0039】

１次プラズマ領域９から供給される準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂによるガス３のイオン化に加えて、２次プラズマ領域１０内で、グロー放電１２またはグロー放電ゾーン（図１ａ、図１ｂ参照）、すなわち２次プラズマ領域１０内の（２次）プラズマのものによって、ガス３のイオン化されたものが生成される。ここでは、自由電子が２次プラズマ領域１０内で形成されるようにガス３の分子の少なくとも一部が衝突プロセスによってイオン化される場合、有利であることが判明している。２次プラズマ領域１０内でグロー放電１２を生成するために、イオン化装置１は、図の例では入口２とさらなる入口５およびさらなる出口１４との間でグロー放電１２を生成するために電界Ｅを生成するように構成されるフィールド生成装置１３を有し、さらなる出口１４は、イオン化しようとするガス３の伝播の方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）でさらなる入口５と同じ高さで配置される。そのために、フィールド生成装置１３は電圧源１５を有し、電圧源１５は、第１の電極（カソード）として働く入口２と、さらなる入口５とに、またさらなる出口１４に接続される。さらなる入口５およびさらなる出口１４は、同じ電位にあり、したがって第２の電極５、１４（アノード）を形成する。電圧源１５は、入口２からの電子をグロー放電ゾーン１２の方向に、すなわちさらなる入口５の、またはさらなる出口１４の方向に加速する方向で電界Ｅを生成するように構成される。ここでは、電子は、Ｘ方向に延びる加速点火経路ｄに沿って、すなわちイオン化しようとするガス３の伝播方向に沿って加速される。

【0040】

点火経路ｄの長さは、入口２と、さらなる入口５の、そのアパーチャ５ａを通って中心に延びる中心軸との間の距離、および入口２と、さらなる出口１４の、その開口（アパーチャ）１４ａを通って中心に延びる中心軸との間の距離に対応する。たとえば、点火経路ｄの長さは、約１０ｍｍと数センチメートルとの間にあるものとすることができる。電圧源１５を用いて生成される電圧Ｖおよび入口２とさらなる入口５またはさらなる出口１４との間の中間空間内の（準静的）圧力ｐは、典型的には一定の長さの点火経路ｄの場合、いわゆるパッシェンミニマムＶ_M、すなわちイオン化しようとする所与のガス種について点火電圧Ｖのための最低可能な値にほぼ達するように選択される（図３参照）。点火経路に沿って自由電子のカスケード増倍があり、それらの自由電子は、電界Ｅの臨界（正）電界強度が２次プラズマ領域１０内で超えられるようにイオン化ガス６によるイオン化中に生成され、その臨界電界強度は、グロー放電１２またはグロー放電ゾーンの形成に必要とされる。典型的には、グロー放電１２を生成するために必要とされ、電圧源１５によって供給される電圧Ｖは、約５０Ｖと約５０００Ｖの間にある。電圧源１５は、イオン化装置１をイオン化しようとする異なるガス３またはガス種に適合させるために電圧Ｖを設定するように構成することができることを理解されたい。

【0041】

２次プラズマ領域１０内のグロー放電１２は、イオン化しようとするガス３の追加の分子の特に効率的なイオン化に通じる（下記でイオン３ａまたはイオン化されたガス３ａと呼ばれる）。イオン化ガス６によってイオン化されるガス３ａ’は、出口１６、より具体的にはそこに形成されたアパーチャ１６ａに、グロー放電１２によってイオン化されたガス３ａと共に供給される。図１ａに示されている例では、イオン化されたガス３ａ、３ａ’の質量分析検査のために構成された検出器１７が出口１６に隣接する。検出器１７と共に、イオン化装置１は、質量分析計２０を形成する。

【0042】

イオン化されたガス３ａ、３ａ’を出口１６に変位させるために、フィールド生成装置１３は、第１の電極としてのさらなる入口５およびさらなる出口１４と、さらなる（第２の）電極として働く出口１６との間にさらなる電界Ｅ’を生成するように構成される。さらなる電界Ｅ’は、イオン化しようとするガス３の伝播方向（Ｘ方向）で（第１の）電界Ｅに対して反対に導かれる。電圧源１５は、さらなる入口５およびさらなる出口１４と、出口１６との間にさらなる電圧Ｖ’を印加することによってさらなる電界Ｅ’を生成するように働く。イオン化されたガス３ａ、３ａ’の正に帯電されたイオンは、さらなる電界Ｅ’によって出口１６に向かって加速される。ここで、イオン３ａ、３ａ’は、たとえば約１０ｍｍとすることができるさらなる加速経路ｄ’に沿って加速される。イオン化されたガス３ａ、３ａ’の最も多くの部分が、カスケード増倍経路の端部で、すなわちグロー放電ゾーン１２内で、そこに存在する自由電子の最大密度のために生成されるので、大抵のイオン化されたガス３ａ、３ａ’は、出口１６に向かって流し出され得る。

【0043】

可能な限り一定であるイオン流を検出器１７に供給するために、２次プラズマ領域１０内で、または入口２と、さらなる入口５およびさらなる出口１４との間の点火経路ｄに沿って、圧力ｐを可能な限り一定に保つことが有利である。これを達成するために、さらなる出口１４は、制御可能なバルブ１８を介して送出し装置１９（真空ポンプ）に接続され、送出し装置１９は、イオン化しようとするガス３、およびイオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂを２次プラズマ領域１０から送り出すように働く。バルブ１８および送出し装置１９は、開ループおよび閉ループ制御装置２１に接続され、開ループおよび閉ループ制御装置２１は、２次プラズマ領域１０内の圧力ｐを一定の設定点値に調節する。

【0044】

これを達成するために、開ループおよび閉ループ制御装置２１は、２次プラズマ領域１０内の圧力ｐを直接、またはおそらくは間接的に決定することを可能にする１つまたは複数のセンサ（ここでは図示せず）、特に圧力センサに接続され得る。また、開ループおよび閉ループ制御装置２１は、イオン化しようとするそれぞれのガス種に適合された点火電圧Ｖが、電界Ｅを生成するために生成され、または適切に適合された突抜け電圧Ｖ’がさらなる電界Ｅ’を生成するために生成されるようにフィールド生成装置１３を作動させるように働く。
図１ａに示されているイオン化装置１では、入口２の開口（アパーチャ）２ａの中心、２次プラズマ領域１０、またはグロー放電ゾーン１２を通って延びる入口２の中心軸と、出口１６のアパーチャ１６ａの中心を通って延びる出口１６の中心軸が共通の見通し線２２に沿って配置される場合、有利であることが判明している。また、さらなる入口５のアパーチャ５ａの中心、２次プラズマ領域１０、またはグロー放電ゾーン１２を通って延びるさらなる入口５の中心軸と、さらなる出口１４のアパーチャ１４ａの中心を通って延びるさらなる出口１４の中心軸がさらなる共通の見通し線２３に沿って配置される場合、有利であることが判明している。さらなる共通の見通し線２３は（第１の）共通の見通し線に対して直交して延びる場合、有利である。なぜなら、この場合、さらなる入口５およびさらなる出口１４が、イオン化しようとするガス３の伝播方向に対して直交する方向（Ｙ方向）で配置されるからである。

【0045】

図１ｂは、実質的に図１ａに示されているように構成されるイオン化装置１を有する質量分析計２０を示す。図１ａに示されている例とは対照的に、イオン化しようとするガス３を入口２の前で、したがって２次プラズマ領域１０の前で処理するように働くチャンバ２５が、イオン化しようとするガス３のための入口２と、イオン化しようとするガス３がイオン化装置１内に入るための１次入口２４（アパーチャ２４ａを有する）との間に配置される。イオン化しようとするガス３は、チャンバ２５内で様々な方法で処理することができる。

【0046】

たとえば、チャンバ２５内でイオン化しようとするガスの圧力低下があり得る。すなわち、チャンバ２５は、イオン化装置１の外側の環境内で１次圧力ｐ_uを低減するために、たとえば差動的にポンピングされる圧力段として、または−図１ｂに示されているように−バルブ２６を介してポンピングされる（律動的に送られる）圧力段として働き、この１次圧力ｐ_uは、たとえば約１ｂａｒと２００ｂａｒの間程度のものとすることができる。１次圧力ｐ_uに応じて、チャンバ２５内の圧力低下は、イオン化しようとするガス３のより小さい圧力ｐでのイオン化を実施することができるように、単一の圧力段によりもたらすことができ、またはチャンバ２５内で直列に配置された複数の圧力段によってもたらされてもよい。

【0047】

また、１次入口２４の上流に配置された環境から入るイオン化しようとするガス３の温度が、チャンバ２５に隣接する（２次）入口２内で固定された所定の最大動作温度を超えないことを確実にするために、チャンバ２５内に熱デカップリングがあることができる。熱デカップリングは、断熱（金属／セラミック移行）、受動冷却（たとえば、冷却体による対流）、能動冷却（たとえば、空冷または水冷）などによってもたらすことができる。 それに加えて、または代替として、イオン化しようとするガス３を２次プラズマ領域１０に供給するのに適した組成に変換するために、チャンバ内２５で外来ガス抑制、粒子フィルタリング、および／または粒子処理を実施することも可能である。粒子処理または粒子フィルタリングは、たとえば機械的または磁気的に実施することができる。

【0048】

図１ｂに示されている例示的な実施形態では、フィールド生成装置１３はさらに、２次プラズマ領域１０内で第１および第２の時間依存性の磁界Ｍ１、Ｍ２を生成するように構成される。図の例では、フィールド生成装置１３は、第１の見通し線２２に沿って位置合わせされる第１の磁界Ｍ１を生成するように構成される。すなわち、第１の磁界Ｍ１の対称軸は、見通し線２２に沿って（Ｘ方向で）延びる。フィールド生成装置１３は、第１の磁界Ｍ１を生成するために第１および第２のコイル２７ａ、２７ｂを有する。フィールド生成装置１３は、さらなる見通し線２３に沿って位置合わせされる第２の磁界Ｍ２を生成するようにも構成される。すなわち、第２の磁界Ｍ２の対称軸は、さらなる見通し線２３に沿って（Ｙ方向で）延びる。フィールド生成装置１３は、第２の磁界Ｍ２を生成するために２つのさらなるコイル２８ａ、２８ｂを有する。フィールド生成装置１３は、２次プラズマ領域１０内に存在する磁界Ｍ１、Ｍ２に適切に影響を及ぼすために、コイル２７ａ、２７ｂを通じて、またさらなるコイル２８ａ、２８ｂを通じて電流を設定するように、または開ループおよび閉ループ制御装置２１を介してこれを制御／調節するように構成される。磁界Ｍ１、Ｍ２は、図１ｂに示されているものとは異なる位置合わせを有することもできることを理解されたい。また、フィールド生成装置１３は、時間変化磁界の生成に加えて、または代替として、２次プラズマ領域１０内で１つまたは複数の時間一定磁界を生成するように構成されてもよい。そのために、フィールド生成装置１３は、１つまたは複数の永久磁石を有することができる。

【0049】

磁界Ｍ１、Ｍ２は、たとえば「電子サイクロトロン共鳴」（ＥＣＲ）効果によって、または「誘導結合プラズマ」（ＩＣＰ効果）によって、２次プラズマ領域１０内でイオン化を増幅することができる。時間依存性の磁界Ｍ１、Ｍ２を生成することによって、プラズマを増幅する２次プラズマ領域１０内の時間依存性の電界を生成することが可能である。それぞれのイオン化磁界Ｍ１、Ｍ２は、コイル２７ａ、２７ｂによって、またはさらなるコイル２８ａ、２８ｂによって生成することができる。典型的には、２次プラズマ領域１０内でグロー放電１２を生成するためのフィールド生成装置１３は、電界Ｅまたはさらなる電界Ｅ’を生成するために、図１ａに示されている電圧源１５をさらに有する。

【0050】

プラズマ、より具体的にはグロー放電ゾーン１２は、イオン化装置１内で、１つまたは複数の磁界Ｍ１、Ｍ２を用いて、目標を定めて変位させることもできる。たとえば、第１の磁界Ｍ１、または第１の磁界Ｍ１の磁界強度の最大は、入口２の方向で、イオン化しようとするガス３の分子がそこで最も高い可能な効率でイオン化されるようにグロー放電１２をも変位させるために、コイル２７ａ、２７ｂを通る適切な電流により、入口２の方向で見通し線２２に沿ってシフトさせることができる。出口１６の方向に第１の磁界Ｍ１を変位させることは、可能な限り効率的な出口１６への、および出口１６に隣接する検出器１７へのイオン化されたガス３ａ、３ａ’の搬送を設計するように働くことができる。
第１の磁界Ｍ１（また、第２の磁界Ｍ２の）変位は、イオン化しようとするガス３またはイオン化しようとするガス種がイオン化装置１または開ループおよび閉ループ制御装置２１にとって既知である限り、これらに基づいてもたらすことができる。時間依存性の磁界または磁界Ｍ１、Ｍ２もまた、検出器１７内でのイオン化されたガス３ａ、３ａ’の測定プロセス中、目標を定めて修正または移動させ、イオン化効率の増大および／または検出器１７内のイオン化されたガス３ａ、３ａ’のより効率的な搬送をもたらすことができる。

【0051】

図４は、加速経路ｄに沿ってカスケード増倍によって、またはグロー放電１２によって生成されるイオン化しようとするガス３のイオン３ａの、ならびにイオン化ガス６の準安定粒子６ａおよび／またはイオン６ｂ（図４には図示せず）との電荷交換または衝突電離によって生成されるイオン化しようとするガス３のイオン３ａ’のシミュレーションによる軌道を示す。物事を単純にするために、入口２は、０Ｖの電位でＹ方向に延びる平坦な格子状の電極としてシミュレーションされた。さらなる入口５およびさらなる出口１４は、＋１ｋＶの電位でＹ方向に延びる格子状（穴）の電極としてシミュレーションされた。出口１６もまた、０Ｖの電位でＹ方向に延びる格子状（穴）の電極としてシミュレーションされた。接地または出口１６の電位を０Ｖに設定することは、この場合、検出器１７をもグランド電位にすることができるので、有利であることが判明している。しかし、出口１６の電位は、たとえば−１００以下の領域内の他の（正または負の）値をとることができることを理解されたい。シミュレーションによる電極の範囲は、図４に破線の矩形によって示されている。

【0052】

図４から明確にわかるように、カスケード増倍により、自由電子３０の数が、入口２から進んでグロー放電ゾーン１２の方向で著しく増大し、その結果、イオン化しようとするガス３の多数のイオン３ａがそこで生成され、これらのイオンは、さらなる電界Ｅ’により出口１６の方向で加速される。加速経路ｄに沿ってすでにイオン化されており、電界Ｅによって、その正電荷により入口２の方向に加速され、したがって検出器１７内での分析に使用可能でないイオン化しようとするガス３のイオン３ｂの軌道も同様に、図４内で識別することができる。イオン化しようとするガス３のイオン３ａ、３ａ’は、出口１６へ加速され、検出器１７内で共に分析される。

【0053】

上記のイオン化装置１の使用は、質量分析計２０だけに制限されず、イオン化装置１によって生成されるイオン３ａ、３ａ’はまた、イオン３ａ、３ａ’またはイオンビームが必要とされる他の装置、たとえば電子ビーム顕微鏡またはイオンビーム顕微鏡において有効に使用することができる。たとえば、電子ビーム顕微鏡における検査対象の物体で散乱される電子を、入口２を介して、イオン化しようとするガス３、たとえばヘリウムまたは水蒸気と共にイオン化装置１内に導入することができる。入口２を介して供給される電子は、点火経路ｄに沿って、イオン化しようとするガス３をイオン化するように働き、プロセス内で生成されるイオン化しようとするガス３のイオン３ａの数は、イオン化装置１内に入る電子の数、または電子流に依存する。イオン３ａ、３ａ’によって生成される電流またはイオン３ａ、３ａ’によって生成される電荷を測定するために、たとえばグランド電位にある、またはグランド電位に近い低電位にある検出器１７（たとえば、光電増幅器または電荷増幅器）を、イオン化装置１の出力の下流に配置することができる。ここでは、イオン化装置１内の加速または点火経路ｄは、電子によって生成され検出器１７によって検出されるイオン流を増幅するように働く。イオン化装置１によって生成される利得は、点火経路ｄの長さ、およびイオン化ガス６の供給される準安定粒子６ａまたはイオン６ｂの数によって設定または調整することができる。
１． １次プラズマ領域（９）内でイオン化ガス（６）の準安定粒子（６ａ）および／またはイオン（６ｂ）を生成するためのプラズマ生成装置（４）と、
２次プラズマ領域（１０）内でグロー放電（１２）を生成するためのフィールド生成装置（１３）と、
イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するための入口（２）と、
前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するためのさらなる入口（５）と
を備えるイオン化装置（１）。
２． 前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で前記グロー放電（１２）を生成するために前記入口（２）と前記さらなる入口（５）との間に電界（Ｅ）を生成するように構成される、１に記載のイオン化装置。
３． 前記フィールド生成装置（１３）が、前記電界（Ｅ）を生成するために、電圧源（１５）と、２つの電極（２；５，１４）とを有する、２に記載のイオン化装置。
４． 前記電界（Ｅ）を生成するために、前記入口（２）が第１の電極を形成し、前記さらなる入口が第２の電極を形成する、３に記載のイオン化装置。
５． 前記電圧源（１５）が、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（５、１４）の間で５０Ｖと５０００Ｖの間の電圧（Ｖ）を生成するように構成される、３または４に記載のイオン化装置。
６． 前記イオン化装置（１）からイオン化されたガス（３ａ、３ａ’）を排出するための出口（１６）をさらに備える、１から５までのいずれかに記載のイオン化装置。
７． 前記フィールド生成装置（１３）が、前記さらなる入口（５）と前記出口（１６）の間にさらなる電界（Ｅ’）を生成するように構成される、６に記載のイオン化装置。
８． 前記出口（１６）が、前記さらなる電界（Ｅ’）を生成するためのさらなる電極を形成する、７に記載のイオン化装置。
９． 前記イオン化装置（１）の前記入口（２）、前記２次プラズマ領域（１０）、および前記出口（１６）が、見通し線（２２）に沿って配置される、６から８までのいずれかに記載のイオン化装置。
１０． 前記ガス（３）、前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン化ガス（６）の前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）から送り出すためのさらなる出口（１４）を有する送出し装置（１９）をさらに備える、１から９までのいずれかに記載のイオン化装置。
１１． 前記さらなる入口（５）および前記さらなる出口（１４）は、さらなる見通し線（２３）に沿って配置される、１０に記載のイオン化装置。
１２． 前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で少なくとも１つの、特に時間依存性の磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、１から１１までのいずれかに記載のイオン化装置。
１３． 前記フィールド生成装置（１３）が、前記見通し線（２２）に沿って、または前記さらなる見通し線（２３）に沿って位置合わせされる磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、１２に記載のイオン化装置。
１４． 前記イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給する前に前記イオン化しようとするガス（３）を処理するために、前記イオン化装置（１）の１次入口（２４）と前記入口（２）との間に配置されるチャンバ（２５）をさらに備える、１から１３までのいずれかに記載のイオン化装置。
１５． 前記１次プラズマ領域（９）内の圧力（ｐ）が前記２次プラズマ領域（１０）内の圧力（ｐ₁）より大きい、１から１４までのいずれかに記載のイオン化装置。
１６． 前記１次プラズマ領域（９）内の前記圧力（ｐ₁）が、１００ｍｂａｒと１０００ｍｂａｒの間にある、１から１５までのいずれかに記載のイオン化装置。
１７． 前記２次プラズマ領域（１０）内の前記圧力（ｐ）が、０．５ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間にある、１から１６までのいずれかに記載のイオン化装置。
１８． 前記プラズマ生成装置（４）の前記イオン化ガス（６）が貴ガスである、１から１７までのいずれかに記載のイオン化装置。
１９． 前記プラズマ生成装置（４）が、コロナ放電プラズマ生成装置および誘電体バリア放電プラズマ生成装置を含むグループから選択される、１から１８までのいずれかに記載のイオン化装置。
２０． １から１９までのいずれかに記載のイオン化装置（１）と、イオン化されたガス（３ａ、３ａ’）の質量分析のために前記イオン化装置（１）の出口（１６）の下流に配置された検出器（１７）と
を備える質量分析計（２０）。

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2019年2月19日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次プラズマ領域（９）内でイオン化ガス（６）の準安定粒子（６ａ）および／またはイオン（６ｂ）を生成するためのプラズマ生成装置（４）と、
２次プラズマ領域（１０）内でグロー放電（１２）を生成するためのフィールド生成装置（１３）と、
イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するための入口（２）と、
前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給するためのさらなる入口（５）と
を備え、
前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で少なくとも１つの磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成されるイオン化装置（１）。

【請求項2】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記２次プラズマ領域（１０）内で前記グロー放電（１２）を生成するために前記入口（２）と前記さらなる入口（５）との間に電界（Ｅ）を生成するように構成される、請求項１に記載のイオン化装置。

【請求項3】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記電界（Ｅ）を生成するために、電圧源（１５）と、２つの電極（２；５，１４）とを有する、請求項２に記載のイオン化装置。

【請求項4】

前記電界（Ｅ）を生成するために、前記入口（２）が第１の電極を形成し、前記さらなる入口が第２の電極を形成する、請求項３に記載のイオン化装置。

【請求項5】

前記電圧源（１５）が、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（５、１４）の間で５０Ｖと５０００Ｖの間の電圧（Ｖ）を生成するように構成される、請求項３または４に記載のイオン化装置。

【請求項6】

前記イオン化装置（１）からイオン化されたガス（３ａ、３ａ’）を排出するための出口（１６）をさらに備える、請求項１から５までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項7】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記さらなる入口（５）と前記出口（１６）の間にさらなる電界（Ｅ’）を生成するように構成される、請求項６に記載のイオン化装置。

【請求項8】

前記出口（１６）が、前記さらなる電界（Ｅ’）を生成するためのさらなる電極を形成する、請求項７に記載のイオン化装置。

【請求項9】

前記イオン化装置（１）の前記入口（２）、前記２次プラズマ領域（１０）、および前記出口（１６）が、見通し線（２２）に沿って配置される、請求項６から８までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項10】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記見通し線（２２）に沿って位置合わせされる磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、請求項９に記載のイオン化装置。

【請求項11】

前記ガス（３）、前記イオン化ガス（６）の前記準安定粒子（６ａ）および／または前記イオン化ガス（６）の前記イオン（６ｂ）を前記２次プラズマ領域（１０）から送り出すためのさらなる出口（１４）を有する送出し装置（１９）をさらに備える、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項12】

前記さらなる入口（５）および前記さらなる出口（１４）は、さらなる見通し線（２３）に沿って配置される、請求項１１に記載のイオン化装置。

【請求項13】

前記磁界（Ｍ１、Ｍ２）が時間依存性である、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項14】

前記フィールド生成装置（１３）が、前記さらなる見通し線（２３）に沿って位置合わせされる磁界（Ｍ１、Ｍ２）を生成するように構成される、請求項１２に記載のイオン化装置。

【請求項15】

前記イオン化しようとするガス（３）を前記２次プラズマ領域（１０）内に供給する前に前記イオン化しようとするガス（３）を処理するために、前記イオン化装置（１）の１次入口（２４）と前記入口（２）との間に配置されるチャンバ（２５）をさらに備える、請求項１から１４までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項16】

前記１次プラズマ領域（９）内の圧力（ｐ）が前記２次プラズマ領域（１０）内の圧力（ｐ₁）より大きい、請求項１から１５までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項17】

前記１次プラズマ領域（９）内の前記圧力（ｐ₁）が、１００ｍｂａｒと１０００ｍｂａｒの間にある、請求項１６に記載のイオン化装置。

【請求項18】

前記２次プラズマ領域（１０）内の前記圧力（ｐ）が、０．５ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間にある、請求項１６または１７に記載のイオン化装置。

【請求項19】

前記プラズマ生成装置（４）の前記イオン化ガス（６）が貴ガスである、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項20】

前記プラズマ生成装置（４）が、コロナ放電プラズマ生成装置および誘電体バリア放電プラズマ生成装置を含むグループから選択される、請求項１から１９までのいずれか１項に記載のイオン化装置。

【請求項21】

請求項１から２０までのいずれか１項に記載のイオン化装置（１）と、イオン化されたガス（３ａ、３ａ’）の質量分析のために前記イオン化装置（１）の出口（１６）の下流に配置された検出器（１７）と
を備える質量分析計（２０）。